Bilan quantitatif et comparaison des impacts

Ce chapitre a mis en ´evidence les impacts radiatifs des a´erosols et les a compar´e au rˆole de la surface urbaine sur la dynamique. Alors que la prise en compte des propri´et´es optiques des a´erosols induit une diff´erence de temp´erature sur l’ensemble de la couche limite sur l’ensemble

de la zone g´eographique de l’ordre de -0.5 ◦_{C, l’impact de la surface urbaine est nettement}

plus localis´e sur la ville, et pr´esente des diff´erences de temp´eratures de l’ordre de 4◦_{C. L’effet}

de la surface urbaine est localis´e spatialement au centre-ville, et conduit `a une diff´erence de

temp´erature maximum de 1◦_{C`a seulement 10 km du centre-ville. La figure 6.14 met en ´evidence}

ces impacts `a la fois au centre-ville de Toulouse et `a la campagne. Au centre-ville de Toulouse, la figure 6.14(a) montre que l’impact des a´erosols sur la temp´erature est tr`es inf´erieur en am-

137 6.4. Bilan quantitatif des diff´erents impacts et conclusions plitude `a celui induit par la surface urbaine. En effet, alors que l’impact de la surface urbaine

sur la temp´erature induit un r´echauffement de temp´erature la nuit allant jusqu’`a 4 ◦_{C, l’im-}

pacts des a´erosols induit un refroidissement maximum de 0.4 ◦_{C, c’est-`a dire environ 10 % du}

r´echauffement induit par la surface urbaine. On peut cependant observer sur cette mˆeme figure 6.14(a) que durant quelques heures, entre 7 et 12 heures UTC le 3 et le 4 juillet, les effets de la surface urbaine et des a´erosols sur la temp´erature vont dans le mˆeme sens, et s’additionnent. La figure 6.14(b) nous montre l’impact des a´erosols et de la surface urbaine sur un site proche de la campagne. Dans ce cas on peut remarquer que l’impact de la surface urbaine est nettement

moins prononc´e, induisant un r´echauffement maximum de l’ordre de 0.5 ◦_{C(en n´egligeant les}

pics). L’impact des a´erosols se traduit de la mˆeme fa¸con qu’en centre-ville apr`es un refroidisse-

ment de la couche limite de l’ordre de 0.5◦_{C. Ainsi, les deux effets semblent s’annuler, pr´esentant}

sensiblement la mˆeme amplitude mais des signes oppos.

6.4.2 Conclusions

Ce chapitre a pr´esent´e les r´esultats de simulations visant `a ´etudier les impacts des a´erosols urbains sur la dynamique de la couche limite, ainsi que la comparaison de ces impacts avec les r´etroactions issues de la repr´esentation de la ville.

Afin d’´etudier les impacts radiatifs des a´erosols, il a fallu dans un premier temps ´evaluer la resti- tution des param`etres optiques des a´erosols par le module d´evelopp´e et d´ecrit en chapitre 4. Ainsi, cette section a permis d’´evaluer le module de calcul des propri´et´es optiques des a´erosols dans une simulation en trois dimensions, sur un cas r´eel durant la campagne CAPITOUL. Les com- paraisons des propri´et´es optiques avec les observations acquises durant la campagne montrent une bonne restitution des param`etres optiques. Il semble que les principales diff´erences avec les observations d´ecoulent d’erreurs sur la repr´esentation de la concentration de certains a´erosols, notamment de black carbon durant la nuit du 3 au 4 juillet.

L’application de ce module radiatif a ainsi permis de quantifier les impacts radiatifs des a´erosols sur la dynamique urbaine. Les r´esultats des simulations montrent que dans le cas d’une ville moyennement pollu´ee comme Toulouse, et sous un r´egime de vent moyen, la cons´equence directe de la pr´esence des a´erosols et de leur interaction avec le rayonnement solaire est une di-

minution du flux solaire arrivant `a la surface de l’ordre de 30 W.m−2 _{au maximum, par diffusion}

et absorption du rayonnement.

Cette diff´erence de flux solaire atteignant la surface induit des r´etroactions sur la dynamique, et notamment sur la temp´erature de la couche limite. Ces cons´equences indirectes de l’interaction des particules d’a´erosol avec le rayonnement solaire montrent un refroidissement de la couche

limite de l’ordre de -0.4 ◦_{C. En comparaison, il a ´et´e ´egalement montr´e dans ce chapitre que}

dans le mˆeme cadre d’´etude de la campagne CAPITOUL, l’impact de la surface urbaine sur

(a) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 −2 −1 0 1 2 3 4 5 Temps en heure DTH (K) Centre−ville Impact aerosols Impact surface urbaine

(b) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Temps en heure DTH (K) Campagne Impact aerosols Impact surface urbaine

Fig. 6.14: Impacts sur la temp´erature `a 2 m`etres de la surface urbaine et des a´erosols au centre-ville de Toulouse et en campagne.

durant la nuit.

Ainsi, l’impact des a´erosols pourrait sembler quasi-n´egligeable devant celui de la surface ur- baine. Cependant, ce chapitre a montr´e que l’impact de la surface urbaine sur la temp´erature ´etait spatialement localis´e sur la ville. L’impact des a´erosols est au contraire indif´erenci´e sur

139 6.4. Bilan quantitatif des diff´erents impacts et conclusions l’ensemble de la r´egion. Ainsi, `a quelques dizaines de kilom`etres de Toulouse, les effets de la ville et des a´erosols sur la temp´erature sont du mˆeme ordre de grandeur, mais oppos´es en signes

Chapitre 7

Conclusions et perspectives

Sommaire

7.1 Conclusions g´en´erales . . . 141 7.2 Perspectives . . . 143

7.1

Conclusions g´en´erales

Les particules d’a´erosols sont une composante majeure du syst`eme atmosph´erique. Leur rˆole dans la formation des nuages, leur impact n´efaste sur la qualit´e de l’air et donc de la sant´e, ou encore les interactions avec le rayonnement font que leurs ´etudes conduites `a diff´erentes ´echelles est d’un int´erˆet grandissant. Les ´etudes sur la compr´ehension des processus physiques r´egissant l’´evolution des particules ainsi que les interactions avec d’autres processus m´et´eorologiques sont g´en´eralement conduites `a fine ´echelle. Les ´etudes concernant la qualit´e de l’air comme la pr´evision d’´episodes de pollution intense s’int´eressent `a l’´evolution des a´erosols `a l’´echelle r´egionale. Enfin, le rˆole des a´erosols dans le syst`eme atmosph´erique fait que les exercices de projections clima- tiques doivent prendre en compte ces particules dans les scenarii d’´evolutions du climat. D’origines naturelle et anthropique, la vari´et´e des sources de particules dans l’atmosph`ere ex- plique que ces derni`eres pr´esentent un large ´eventail de composition chimique et de tailles.

Or, ces param`etres physico-chimiques sont d´eterminants en terme d’impacts des a´erosols. Aussi, il apparaˆıt capital de pouvoir ´evaluer correctement leurs propri´et´es physico-chimiques.

gine urbaine avec le rayonnement solaire. Or les ´etudes portant sur ce sujet pr´esentent de nom- breuses incertitudes quant aux impacts radiatifs des a´erosols. C’est pourquoi nous avons tout d’abord cherch´e `a d´evelopper un module de calcul des propri´et´es optiques des a´erosols en fonc- tion de la composition chimique d´etaill´ee et des propri´et´es granulom´etriques des particules. Ce module est bas´e sur la construction de look-up tables `a partir d’une double interpolation polyno- miale en fonction du rayon m´edian de la population de particules. Il accepte en donn´ees d’entr´ee les param`etres descriptifs de la loi lognormale d´ecrivant le spectre granulom´etrique de la po- pulation d’a´erosols, ainsi que la composition chimique des particules. Ce module a ´et´e ´evalu´e dans un premier temps en le comparant aux calculs directs de la th´eorie de Mie sur laquelle est bas´ee la construction des tables. Dans un second temps, il a ´et´e ´evalu´e dans un cas r´eel par comparaison avec des observations des propri´et´es optiques des a´erosols acquises durant la campagne EUCAARI effectu´ee aux Pays-Bas. Les r´esultats de ces comparaisons montrent que le module parvient `a repr´esenter de fa¸con satisfaisante les propri´et´es optiques des particules. De plus, le coˆut num´erique de l’utilisation de ce module qui a ´et´e estim´e est tout `a fait abordable par rapport au coˆut num´erique des autres processus simul´es. De ce fait, ce module compl`etement externalis´e peut ˆetre utilis´e dans tous les mod`eles atmosph´eriques, aussi bien les mod`eles clima- tiques pour estimer l’impact climatique des a´erosols, que les mod`eles de moyenne et fine ´echelle. La campagne CAPITOUL a eu lieu entre f´evrier 2004 et f´evrier 2005 `a Toulouse, et visait notamment `a ´etudier les interactions entre la dynamique urbaine et les particules et gaz at- mosph´eriques. Nous avons reproduit la situation m´et´eorologique pr´esente durant la POI des 3 et 4 juillet 2004 `a l’aide du mod`ele atmosph´erique M´eso-NH. La configuration du mod`ele per- met de simuler les ´evolutions des a´erosols durant ces deux journ´ees `a diff´erentes ´echelles, de la r´esolution horizontale de 10 km couvrant le sud de la France, jusqu’`a la r´esolution de 500 m sur la ville de Toulouse. Pour cela nous avons pr´ealablement construit un cadastre d’´emissions de gaz et d’a´erosols primaires afin d’initialiser les ´emissions `a la fois de la ville de Toulouse, mais ´egalement de l’ensemble des villes et routes de France afin de consid´erer les interactions de la pollution entre diff´erentes villes. Les comparaisons avec les observations montrent que la simulation parvient `a reproduire `a la fois la situation dynamique durant ces deux jours, mais ´egalement l’´evolution des particules d’a´erosol. L’analyse des simulations montre ´egalement que selon l’´echelle utilis´ee, la repr´esentation de la pollution particulaire diff`ere grandement. Ainsi, les r´esultats analys´es sur le domaine couvrant le sud de la France montrent que pendant ces deux jours il y a une forte interaction entre les ´emissions de Toulouse et celles de Bordeaux. La situation m´et´eorologique conduit `a ce que les ´emissions fraˆıches de Toulouse se m´elangent au panache constitu´e d’a´erosols plus vieux provenant de Bordeaux. Un panache r´esultant est donc pr´esent, comprenant `a la fois des particules fraˆıches et des particules plus ˆag´ees. L’analyse des r´esultats sur le domaine le plus fin dont la r´esolution est de 500 m et couvrant la ville de Toulouse montre que la situation dynamique a conduit `a la formation de rouleaux convectifs. La nature dynamique de ces rouleaux les conduit `a concentrer quasiment tous les polluants. Larges de quelques kilom`etres, ils concentrent ainsi les particules en laissant des zones avec des faibles concentrations entre eux. Ce ph´enom`ene n’est reproduit par la simulation qu’avec une r´esolution de 500 m. On peut penser que dans des ´ev´enements de pollution extrˆeme ou d’accidents chimiques, il peut s’av´erer tr`es utile de repr´esenter ces structures coh´erentes qui

143 7.2. Perspectives